基于STM32 DIO接口驱动SD卡的设计(上)

引言
     随着铁路货运速度的提高，时速160km/h的快速货车运 行安全智能监测系统已成为研究的重要课题。由于货车具有 运行周期长的特点，监测系统采集到的各种实时的数据， 包括防滑控制、轴温预警、列车定位、转向架失稳等信息， 需要大量的存储空间。主控制器采集到这些数据后，需要通 过存储卡将数据保存下来，然后通过GPRS无线模块读取卡 数据信息发送到通用计算机上，以作进一步的分析和处理。 目前常用的存储器有 U 盘、FLASH 芯片、SD 卡等。SD卡是 一种容量大（最大可达32GB）、性价比高、体积小、访问 接口简单、易于集成的存储卡，采用SD卡可解决上述采集 数据的存储和传输问题；采用ARM Cortex ™-M3内核的32位 微控制器STM32F103作为主控制器，STM32F103 自带标准 的SD卡接口，使用其自带的SDIO接口驱动，在4位SD模式 下，最高通信速度可达 24MHz，最高每秒可传输12M字节数 据，可快速地实现对SD卡的访问。

1  硬件功能原理与设计
1.1  SD卡简介
S D 卡 （ S e c u r e  D i g i t a l Memor y Card） 是一种基于半 导体闪存工艺的存储卡，它的 外形和接口如图1 所示。 S D 卡 有 9 个 引 脚 与 外 部 通 信 ， 支 持 SPI和SDIO两种模式， 不同模 式下，SD卡引脚功能描述如表1所示。在具体的通信过程中，主机只能选择一种通信模式。

图1  SD卡的外形和接口
主控制器STM32F103可支持SDIO模式，在该模式下，CS为主控制器向SD卡发送的片选信号，CMD为主控制器向SD卡 发送的命令/响应信号，CLK为主控制器向SD卡发送的时钟 信号，DAT0、DAT1和DAT2分别为SD卡的3个数据线。
SD卡的内部结构如图2所示，SD卡内部不仅有大量的 存储单元，还具有卡接口控制器、寄存器以及SDIO和SPI两 种模式的对外接口等。外部主控制器并不直接访问卡内存储 单元，而是通过卡的接口控制器与存储器单元接口相连来访 问卡的外部信号线。卡内存储单元的读、写、擦除等操作由 卡接口控制器根据主控器发出的命令自动处理完成，而主控 制器无需知道卡内如何操作、管理存储单元，这将大大降低 主控制器对存储器操作的负担。SD卡内部有6个寄存器，其 中四个信息寄存器用来设置和保存卡的关键信息，另外两个 状 态 寄 存 器 用 来配 置 和 操 作 卡 当 前的状态。
1.2  SDIO接口
原理
S   D   I   O（ S e c u r e D i g i t a l I n p u t    a n d O u t p u t ） ， 即 安全 数 字 输 入 输 出接口。 它由SD存 储 卡 的 规 范 发 展 而 来 ， 在 机 械 、 电 路 、 功 耗 、 信 号 与 软 件 上 与 多

图2   SD卡的内部结构

表1   SD卡在不同模式下的引脚定义
种存储卡完全兼容，可支持多媒体卡（MMC卡）、SD存储卡、SDIO卡；并且可扩展性较强，可以连接多种SDIO接口 设备，如蓝牙、WIFI、GPRS、照相机等。SDIO与SD卡规范 的一个重要区别是增加了低速标准，以最小的硬件开支支持 低速I/O数据传输能力。
STM32F1的 SDIO控制器包含2个部分：SDIO 适配器模 块和 AHB 总线接口，其功能框图如图3所示。SDIO_D[7:0] 为SDIO数据总线，如果一个 SD卡接到了总线上，可以通过 主机配置数据传输方式使用SDIO_D0或SDIO_D[3:0]，所有 的数据线都工作在推挽模式。复位后默认情况下，SDIO_ D 0 用 于 数 据 传 输 ， 初 始 化 后 主 机 可 以 改 变 数 据 总 线 的 宽 度，采用4位总线SDIO_D[3:0]传输数据。
SDIO_CMD为命令/响应接口。SDIO的命令分为应用 相关命令（ACMD）和通用命令（CMD）两部分，发送应 用相关命令之前必须先发送通用 命令。每发送一个命令， SD卡都会给出一个应答，以告知主机该命令的执行情况或 返回主机所需的数据，这个应答我们称之为响应，响应也在 SDIO_CMD线上串行传输。STM32F1的 SDIO 控制器支持 2 种响应类型，即：短响应（48位）和长响应（136位），这 两种响应类型都带 CRC 错误检测。
SDIO_CK为卡时钟输出接口。根据卡类型的不同，可 能有好几个区间，这就涉及到时钟频率的设置，SDIO_CK 与 SDIO适配器时钟（SDIOCLK）的关系为：
SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)
上式中，SDIOCLK 为SDIO挂接在AHB总线上的接口时 钟（对于STM32F1系列是72MHz）；CLKDIV 则是时钟分频 系数，可以通过SDIO的 SDIO_CLKCR 寄存器进行设置（要 确保SDIO_CK不超过卡的最大操作频率）。
1.3  硬件连接
主 控 制 器 选 用 大 容 量 、 增 强 型 的 芯 片 STM32F103ZET6，其与SD卡座的电路连接图如图4所示。 SDIO_D0（PC8）、SDIO_D1（PC9）、SDIO_D2（PC10） 和SDIO_D3（PC11）这4个引脚接上拉电阻，通过3.3V的电
源给SD卡端提供灌电流，从而提高STM32F103ZET6芯片的

图3    STM32F1的SDIO控制器功能框图

图4  STM32F103ZET6与SD卡座的电路连接图 驱动能力；
SDIO_CK（PC12）直接与卡的CLK端相连，用 于向SD卡发送时钟信号。除了SDIO接口的连接外，还有两根控制线：SD_CD（PD5）用于检测SD卡接口与卡座是否接好，若完全接好则该引脚为低电平，否则为高电平；SD_ WP（PD6）用于检测SD卡当期是否设置写保护，写保护时 该引脚为高电平，否则为低电平。

2  软件设计
软件设计主要包括硬件层配置以及驱动层配置。硬件 层配置主要包括配置SD I O 相关寄存器、 识别卡类型、 获 取卡信息，实现对SD卡的初始化；驱动层配置主要是利用 SDIO接口驱动SD卡进行读、写操作。利用ST官方提供的固 件库函数可大大提高软件设计的效率，STM32F1 的 SDIO 相 关操作的函数分布在源文件 stm32f10x_sdio.c 以及对应的头 文件 stm32f10x_sdio.h 中。（未完待续）